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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Laderegler für Windkraftanlage


Autor: Tobias E. (tobinator)
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Hi,

also ich bin Schüler der 13. Klasse und wir sollen eine Windkraftanlage 
bauen. Dazu bauen wir gerade einen Generator, der eine 3-Phasige 
Wechselspannung bis ca. 40V und einen Strom von max. 3-4A liefern soll. 
Die Frequenz wird wahrscheinlich nicht über 5 Hz gehen.
Mit diesem Strom wollen wir kleine Li-Ion-Akkus laden, weil das ganze 
Projekt auch noch mobil sein soll. Dafür habe ich die hier 
(http://www.pollin.de/shop/dt/NjQyOTI3OTk-/Stromver...) 
rausgesucht.
Jetzt meine Frage:
Kann mir jemand helfen eine Schaltung dafür zu entwicklen? Ich habe 
schon angefangen eine mit LT-Spice zu simulieren aber ich komme 
irgendwie nicht weiter. Oben ist die Schaltung:

Die Z-Dioden steuern nacheinander durch, sodass an den Abgreifstellen 
immer eine gleichmäßige Spannung von 4,7V entsteht. (Li-Ion Akkus lädt 
man mit 4,2V, aber da habe ich keine Z-Dioden gefunden, ist ja auch nur 
ein Modell) Mit den beiden Widerständen links wollte ich den Strom 
aufteilen in einen kleinen um die Z-Dioden nicht zu beschädigen und 
einen großen um die Akkus zu laden. Mein Problem ist jetzt, das ich zwar 
über den Dioden eine schöne gleichmäßige Spannung erhalte, jetzt aber 
nicht weis, was ich damit machen soll um die Akkus zu laden und wie ich 
die Akkus nicht überlade, sondern wenn der erste voll ist mit dem 
nächsten weiter mache.

(Die Schaltung kann man später noch erweitern, ist ja immer das gleiche 
Schema.)

Sowas wie Tiefentladeschutz bräuchte ich auch noch.

Also wenn mir jemand helfen könnte eine entsprechende Schaltung zu 
entwickeln wäre ich sehr dankbar :D

Autor: Gast 2 (Gast)
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... wenn euer Generator eine Feldspule hat:
http://www.nord-com.net/dglander/bike_electr_charg...

... wenn nicht, dann den unteren Teil dieser Schaltung 3x aufbauen?
http://www.motelek.net/schema/spannung/malaguti_umbau.png

...oder selber mal die Bilder-Sammlung bei google mit
      motorrad laderegler thyristor
füttern

füttern?

Autor: Gast 2 (Gast)
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... sorry, beide links vertauscht.

Autor: Tobias E. (tobinator)
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Danke,
also wir haben keine Feldspulen, und bei der Schaltung werden die Akkus 
ja nur richtig voll geladen, wenn der Spannungsregler aktiv ist. Und 
dann werden die Spulen im Generator teilweise kurzgeschlossen, oder? Und 
dann geht Leistung verloren, wenn ich das richtig verstanden habe.

Gibt es da nicht eine Lösung, wo wirklich nur minimal Leistung verloren 
geht? (Bei dieser Schaltung könnte es ja unter Umständen recht viel 
sein...)

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Eine Windkraftanlage ist moeglicherweise etwas komplizierter. Wenn man 
da die Last reduziert, geht die Drehzahl hoch.

Autor: Peter Diener (pdiener) Benutzerseite
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Hallo Tobias,

Zenerdioden sind als Balancer für Lithiumakkus völlig ungeeignet.
Wenn es unbedingt Lithiumakkus sein müssen, dann braucht man auch 
richtige Balancer. Es eignen sich hier verschiedene aus dem 
Modellbaubereich. Der Balancer muss den kompletten Ladestrom an der 
Zelle vorbei ableiten können, sonst ist er wirkungslos. Dabei entsteht 
jede Menge Verlustleistung.

Verlustarme Schaltungen sind noch wesentlich komplizierter als du dir 
vorstellen möchtest. Angenommen, du hat 10 Zellen in Reihe und eine ist 
voll. Dann würde ein konventioneller Balancer der Ladestrom an der 
vollen Zelle vorbeileiten und zusammen mit der dort gerade anliegenden 
Spannung entsprechend Verluste erzeugen.
Eine verlustarme Ladeschaltung lädt jede Zelle des Verbunds einzeln. 
D.h. jede Zelle hat eine potentialfreie Leistungseinspeisung vom 
Generator über DC/DC-Wandler und eine eigene Laderegelung. Das ist ein 
erheblicher technischer Aufwand.

Ich würde bei der angegebenen Leistung empfehlen, Bleiakkus oder NiMh zu 
verwenden. Hier benötigt man keine Zellensymmetrierung und man bekommt 
sie groß genug um die angegebene Leistung rein zu bekommen. Den 
Laderegler braucht man da nur einmal und kann ihn bei Bedarf sogar 
kaufen, wenn man es selber nicht hinbekommt.

Wenn es ein Eigenbau sein soll, dann würde ich zunächst einen 
Bypassregler einsetzen, der einfach parallel auf der Batterie ist und 
die überschüssige Leistung verheizt. Damit begrenzt man die 
Rotordrehzahl wirkungsvoll und schützt vor Überladung.

Ganz nebenbei würde ich dringend dazu raten, die Polpaarzahl am 
Generator so weit zu erhöhen, dass im Nennbetrieb mindestens mit 100 Hz 
zu rechnen ist. Die 5 Hz werden regelungstechnisch schwierig zu 
beherrschen. Das erzeugt starken Drehmoment- und damit Drehzahlrippel, 
der sich auf den Ladestrom auswirkt. Die dadurch entstehenden 
Flickerspannungen konnen die Last und den Laderegler massiv stören. Je 
höher die Frequenz ist, desto leichter lässt sich das nach dem Generator 
wegfiltern.

Grüße,

Peter

Autor: Tobias E. (tobinator)
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Hi,

danke erstmal für die Antworten,

ich seh grade ich hab mich mit der Frequenz vertan: Der Rotor dreht sich 
max. 3 mal pro Sekunde, und wenn wir 20 Magneten verbaut haben, dann 
haben wir eine Frequenz von 60 Hz. vllt. reicht das ja auch schon.

Und wegen dem Laderegler:
Wenn das so kompliziert ist, dann nehmen wir vllt. doch einen Bleiakku, 
wir haben ja auch nicht mehr soviel Zeit...
Erstmal bauen wir den Generator fertig und dann müssen wir weitersehn. 
Die Werte dort oben sind alle nur errechnet (und am kleinen Modell 
erprobt) aber villeicht wird ja alles doch ganz anders.
Bis zu welchem Strom könnte man Z-Dioden als Balancer nehmen und würde 
dieser Strom ausreichen um die Zellen in einer angemessenen Zeit zu 
laden?
Wie bekommt man raus, ob eine Lithiumzelle voll ist?

Autor: Alexander Schmidt (esko) Benutzerseite
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Tobias Eydam schrieb:
> Und wegen dem Laderegler:
> Wenn das so kompliziert ist, dann nehmen wir vllt. doch einen Bleiakku,

Ja es ist kompliziert und außerdem nicht ganz ungefährlich.
Bleiakkus sind eine gute Wahl, werden auch in kommerziellen Insel 
Windanlagen eingesetzt.


> Bis zu welchem Strom könnte man Z-Dioden als Balancer nehmen und würde
> dieser Strom ausreichen um die Zellen in einer angemessenen Zeit zu
> laden?

Z-Dioden sind als Balancer für Li* Zellen völlig ungeeignet.


> Wie bekommt man raus, ob eine Lithiumzelle voll ist?
Man lädt bis 4,1-4,2V. Dann ist sie voll.

Autor: Klaus De lisson (kolisson)
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hallo,

anbei mal die schaltung, die ich für mein windrad gebaut habe.

die kombination aus dem tl431 und der zugehörigen widerstände muss so 
ausgelegt werden , dass der regelbereich für die gewünschte 
ausgangsspannung
angenehm wird.

die kombination aus Q3 und R3 kann, je nach gewünschter leistung 
vielfach parallel eingebaut werden.

die diode LED1 leuchtet wenn die ladeschlussspannung erreicht ist und 
könnte ausgewertet werden wenn der akku voll ist. man könnte auf den 
zweiten akku umschalten oder so.

c1 ist ziemlich wichtig, da der generator ja eine pulsierende 
gleichspannung liefert. ohne den kondensator würde der regler auf die 
spitzenwerte reagieren und nicht auf die effektivspannung.


gruss klaus

Autor: Tobias E. (tobinator)
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danke für deine Schaltung!

Dazu habe ich aber noch ein paar Fragen:

Was ist ein TL431? Ist das ein Tyristor?

Links das ist ein stellbarer Widerstand, mit dem man die Zündspannung 
für den Tyristor stellt?? Und der lässt dann den überflüssigen Strom 
raus?

Und R3 ist nicht 120mOhm sondern 120MOhm (also nicht milli sondern 
mega), oder?

Mit der Schaltung kann ich einen Bleiakku laden, oder? Und wie kann ich 
einen Akku in einer Schaltung simulieren? Akku direkt gibt es nicht, 
geht auch ein Kondensator?

Aber so scheint das ganz gut zu funktionieren, danke nochmals dafür :D

Gruß Tobi

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Klaus De lisson schrieb:
> hallo,
>
> anbei mal die schaltung, die ich für mein windrad gebaut habe.
>


Und Du hast wirklich KEINE Rückstromdiode oder zumindest 
Schmelzsicherung in der Leitung zum Akku spendiert?

Autor: Besucher (Gast)
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Das Problem bei kleinen WKAs ist, dass sie sehr empfindlich sind, was 
Windschwankungen anbelangt.
Fängst du z.B. eine Böe über ein Böenpaddel ab?

Grundsätzlich gilt, dass eine Elektronik fehler in einer Mechanik nicht 
ausgleichen kann.
Deshalb sehe dir zuerst die Mechanik an, ob du nicht eine art 
mechanische Vorregelung z.B. in Form einer Schwungmasse oder eines 
Fliehkraftreglers vorsiehst. Damit hätten Böen nicht so eine fatale 
Auswirkung (Spannungsspitzen) und in Windpausen würde sich das Windrad 
weiter drehen und leichter wieder anlaufen.
Kurzum, das Windrad etwas träger in seinem Verhalten machen.
Damit bekommt man auch eine etwas gleichmäßigere Antriebsleistung und 
als Ergebnis eine homogenere Energieumwandlung.

Der R3 ist schon 120miliOhm und schützt die Transistoren vor Überstrom.
Für 120mOhm nimmst du Konstantandraht. Er sollte jedoch etwas dicker 
sein, damit er nicht durchbrennt, denn da geht schon etwas Strom durch.

Autor: Klaus De lisson (kolisson)
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okay ...   eine ergänzung.

@ andrew
ich habe rückstromdioden am ausgang, da ich über das eine rad mehrere 
12V bleiakkus parallel lade. es gibt also in wirklichkeit mehrere 
rückstrom dioden die alle mit der Anode am punkt akkuplus hängen. die 
kathoden gehen dann jeweils auf eine der batterien.

eine schmelzsicherung ist meines erachtens an der stelle nicht nötig, da 
der innenwiderstand des generators ja auch noch da ist.

eine kleine zusatzschaltung habe ich allerdings noch vorbereitet, jedoch 
noch nicht eingebaut. es handelt sich noch um einen thyristor crowbar 
für etwa 15Volt.

unter der annahme, dass mein shuntregler die spannung auf die von mir 
gewünschten 14.4 begrenzt sofern der regler nicht durchgeht.
für den unwahrscheinlichen fall, dass dies trotzdem passiert, schliesst 
der thyristor crowbar dann das windrad kurz.

@Tobias Eydam

der tl431 (oder lm431 oder oder oder) ist kein thyristor sondern eine 
einstellbare zenerdiode. mit dem poti stellt man die zenerspannung ein 
um damit die gewünschte maximale ausgangsspannung der schaltung 
einzustellen.

alles was an überschussenergie erzeugt wird, wird in den 
enstufentransistoren in wärme umgesetzt. also die kührung nicht 
vergessen.


R3 ist MILLIOHM. Wenn du einen endtransistor benötigst (hängt von der 
leistung deines windrades ab) kannst du den auch weglassen.
in meiner schaltung verwende ich jedoch 7 stück der endtransistoren.
da sind die emitterwiderstände nötig um eine gleichmässige auslastung 
der einzelnen endstufen zu gewährleisten. der genaue wert der 
widerstände ist auch nicht so wichtig. (also irgendwas im bereich 0,1ohm 
bis 0,33 ohm oder so).

um das ganze zu simulieren kannst du einen riesigen kondensator (mehrere 
farad evt. mit vorwiderstand) in der simulation als batterieersatz 
nehmen.
anders habe ich das auch noch nicht hinbekommen.

bei der simulation darfst allerdings nicht vergessen für den generator 
einen innenwiderstand vorzusehen,da der shuntregler sonst nicht 
funktionieren kann.

nimm dafür einfach mal ne dc-quelle mit nem 1 ohm reihenwiderstand als 
ersatz für den generator sammt der 6 dioden. das simuliert sich 
leichter.

gruss klaus

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